JP2010003475A - Fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが複数積層された積層体を箱状ケーシング内に収容する燃料電池スタックに関する。 The present invention includes a unit cell in which an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are provided on both sides of an electrolyte is sandwiched between separators, and a stacked body in which a plurality of the unit cells are stacked is contained in a box-shaped casing. It relates to a battery stack.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜(電解質)を採用している。この電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより、燃料電池が構成されている。 For example, a polymer electrolyte fuel cell employs an electrolyte membrane (electrolyte) made of a polymer ion exchange membrane. A fuel cell is configured by sandwiching an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are disposed on both sides of the electrolyte membrane with a separator.
通常、この燃料電池は、所望の発電力を得るために、所定数(例えば、数十〜数百)だけ積層した燃料電池スタックとして使用されている。この燃料電池スタックは、燃料電池の内部抵抗の増大や反応ガスのシール性の低下等を阻止するために、積層されている各燃料電池同士を確実に加圧保持する必要がある。 Normally, this fuel cell is used as a fuel cell stack in which a predetermined number (for example, several tens to several hundreds) is stacked in order to obtain a desired power generation. In this fuel cell stack, the stacked fuel cells need to be reliably pressurized and held in order to prevent an increase in the internal resistance of the fuel cell and a decrease in the sealing performance of the reaction gas.
そこで、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池スタックが知られている。この燃料電池スタックでは、アノード側電極とカソード側電極との間に介装された電解質を有する接合体と、前記接合体を挟持する1対のセパレータとを備える単セルが、所定の数だけ互いに電気的に直列接続された積層体を具備している。そして、積層体の外側には、集電用電極を介してエンドプレートがそれぞれ配設されるとともに、前記積層体及び前記集電用電極は、ケースに収容されており、前記エンドプレートがヒンジ機構によって該ケースに連結されている。 Therefore, for example, a fuel cell stack disclosed in Patent Document 1 is known. In this fuel cell stack, a predetermined number of unit cells each including a joined body having an electrolyte interposed between an anode side electrode and a cathode side electrode and a pair of separators sandwiching the joined body are connected to each other. The laminates are electrically connected in series. End plates are disposed on the outside of the laminated body via current collecting electrodes, and the laminated body and the current collecting electrodes are accommodated in a case, and the end plate is a hinge mechanism. Is connected to the case.
上記のヒンジ機構では、エンドプレート及びケース等に、複数のヒンジ部材(筒状挿入部)が設けられており、前記ヒンジ部材に連結ピンが一体に挿入されている。この種のヒンジ部材は、一般的にプレス品で構成されている。このため、連結ピンを挿入するための孔部の真円度が得られ難く、部品精度が低いという問題がある。 In the above-described hinge mechanism, a plurality of hinge members (cylindrical insertion portions) are provided on the end plate, the case, and the like, and a connecting pin is integrally inserted into the hinge member. This type of hinge member is generally formed of a press product. For this reason, there is a problem that the roundness of the hole for inserting the connecting pin is difficult to obtain, and the component accuracy is low.
本発明はこの種の問題を解決するものであり、部品精度及び部品強度を向上させるとともに、廉価に製造することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and an object of the present invention is to provide a fuel cell stack that can be manufactured at low cost while improving component accuracy and component strength.
本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが複数積層された積層体を箱状ケーシング内に収容する燃料電池スタックに関するものである。 The present invention includes a unit cell in which an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are provided on both sides of an electrolyte is sandwiched between separators, and a stacked body in which a plurality of the unit cells are stacked is contained in a box-shaped casing. It relates to a battery stack.
ケーシングは、積層体の積層方向両端部に配置される端板と、前記積層体の側部に配置される複数の側板と、前記端板と前記側板とを連結するヒンジ機構とを備えている。そして、ヒンジ機構は、端板に固着される第1ヒンジ部材と、側板に固着される第2ヒンジ部材と、前記第1及び第2ヒンジ部材に一体に挿入される連結ピンとを設けるとともに、少なくとも前記第1ヒンジ部材又は前記第2ヒンジ部材は、複数枚の平板を積層しカシメにより一体に結合して構成されている。 The casing includes an end plate disposed at both ends of the laminate in the stacking direction, a plurality of side plates disposed at the side of the laminate, and a hinge mechanism that connects the end plate and the side plate. . The hinge mechanism includes a first hinge member that is fixed to the end plate, a second hinge member that is fixed to the side plate, and a connecting pin that is integrally inserted into the first and second hinge members. The first hinge member or the second hinge member is configured by stacking a plurality of flat plates and integrally connecting them by caulking.
また、第1及び第2ヒンジ部材は、連結ピンが挿入される孔部を有するとともに、少なくとも前記第1ヒンジ部材又は前記第2ヒンジ部材は、平板に対して前記孔部の近傍に2ヶ所のカシメ処理が行われることが好ましい。 Further, the first and second hinge members have holes into which the connecting pins are inserted, and at least the first hinge member or the second hinge member is located at two locations in the vicinity of the holes with respect to the flat plate. A caulking process is preferably performed.
さらに、第1及び第2ヒンジ部材は、連結ピンを挿入される孔部を有するとともに、少なくとも前記第1ヒンジ部材又は前記第2ヒンジ部材は、平板に対して前記孔部を形成する壁部にカシメ処理が行われることが好ましい。 Furthermore, the first and second hinge members have a hole portion into which the connecting pin is inserted, and at least the first hinge member or the second hinge member is formed on a wall portion that forms the hole portion with respect to a flat plate. A caulking process is preferably performed.
本発明では、複数枚の平板を積層してカシメにより一体に結合されるため、従来のプレス品のヒンジ部材に比べて、連結ピンが挿入される孔部の真円度を高く維持することができ、部品精度の向上が容易に図られる。 In the present invention, since a plurality of flat plates are laminated and integrally joined by caulking, the roundness of the hole into which the connecting pin is inserted can be maintained higher than the hinge member of the conventional press product. Therefore, the accuracy of parts can be easily improved.
しかも、複数枚の平板は、カシメにより一体化されるため、連結ピンに荷重(せん断荷重)が付与された際、一部の平板に応力が集中することがない。これにより、複数枚の平板に応力を均等に分散させることが可能になり、ヒンジ機構に偏力が加わることを防止し、部品強度が良好に向上する。さらに、複数枚の平板を溶接又はろう付けする必要がなく、ヒンジ機構を廉価に且つ精度良く製造することができる。 In addition, since the plurality of flat plates are integrated by caulking, stress is not concentrated on some of the flat plates when a load (shear load) is applied to the connecting pins. Thereby, it becomes possible to disperse | distribute stress uniformly to several flat plates, it prevents that a biasing force is added to a hinge mechanism, and component strength improves favorably. Furthermore, it is not necessary to weld or braze a plurality of flat plates, and the hinge mechanism can be manufactured inexpensively and with high accuracy.
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタック10の一部分解概略斜視図であり、図2は、前記燃料電池スタック10の一部断面側面図である。
FIG. 1 is a partially exploded schematic perspective view of a
燃料電池スタック10は、複数の単位セル12が水平方向(矢印A方向)に積層された積層体14を備える。積層体14の積層方向(矢印A方向)一端には、ターミナルプレート16a、絶縁プレート18及びエンドプレート20aが外方に向かって、順次、配設される。積層体14の積層方向他端には、ターミナルプレート16b、絶縁性スペーサ部材22(絶縁プレート18を用いてもよい)及びエンドプレート20bが外方に向かって、順次、配設される。燃料電池スタック10は、四角形に構成されるエンドプレート20a、20bを端板として含むケーシング24により一体的に保持される。
The
図2及び図3に示すように、各単位セル12は、電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)30と、前記電解質膜・電極構造体30を挟持する薄板波形状の第1及び第2金属セパレータ32、34とを備える。なお、第1及び第2金属セパレータ32、34に代替して、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。
As shown in FIGS. 2 and 3, each
単位セル12の長辺方向(図3中、矢印B方向)の一端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔36a、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔38a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔40bが設けられる。
An oxidant gas supply for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, communicates with each other in the arrow A direction at one end edge of the
単位セル12の長辺方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔40a、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔38b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔36bが設けられる。
The other end edge in the long side direction of the
電解質膜・電極構造体30は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜42と、前記固体高分子電解質膜42を挟持するアノード側電極44及びカソード側電極46とを備える。
The electrolyte membrane /
アノード側電極44及びカソード側電極46は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(図示せず)と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層(図示せず)とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜42の両面に形成される。
The
第1金属セパレータ32の電解質膜・電極構造体30に向かう面32aには、燃料ガス供給連通孔40aと燃料ガス排出連通孔40bとを連通する燃料ガス流路48が形成される。この燃料ガス流路48は、例えば、矢印B方向に延在する複数本の溝部により構成される。第1金属セパレータ32の面32bには、冷却媒体供給連通孔38aと冷却媒体排出連通孔38bとを連通する冷却媒体流路50が形成される。この冷却媒体流路50は、矢印B方向に延在する複数本の溝部により構成される。
A fuel
第2金属セパレータ34の電解質膜・電極構造体30に向かう面34aには、例えば、矢印B方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路52が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路52は、酸化剤ガス供給連通孔36aと酸化剤ガス排出連通孔36bとに連通する。第2金属セパレータ34の面34bには、第1金属セパレータ32の面32bと重なり合って冷却媒体流路50が一体的に形成される。
The
第1金属セパレータ32の面32a、32bには、この第1金属セパレータ32の外周端縁部を周回して第1シール部材54が一体成形される。第2金属セパレータ34の面34a、34bには、この第2金属セパレータ34の外周端縁部を周回して第2シール部材56が一体成形される。図2に示すように、第1及び第2シール部材54、56間には、固体高分子電解質膜42の外周が、直接、ケーシング24に接触することを阻止するために、シール57が介装される。
A
図1に示すように、ターミナルプレート16a、16bの略中央部には、積層方向に突出する棒状の端子部58a、58bが形成される。端子部58a、58bには、例えば、車両走行用モータ等の負荷が接続される。
As shown in FIG. 1, rod-shaped
ケーシング24は、端板であるエンドプレート20a、20bと、積層体14の側部に配置される複数の側板60a〜60dと、前記側板60a〜60dの互いに近接する端部同士を連結するアングル部材(例えば、Lアングル)62a〜62dと、前記エンドプレート20a、20bと前記側板60a〜60dとを連結するヒンジ機構64とを備える。側板60a〜60dは、例えば、薄板金属製プレートで構成される。
The
ヒンジ機構64は、エンドプレート20a、20bの上下左右各辺に設けられる第1ヒンジ部材66a、66bと、側板60a〜60dの長手方向(矢印A方向)両端に設けられる第2ヒンジ部材68a〜68dと、交互に配列される前記第1ヒンジ部材66a、前記第2ヒンジ部材68a間、前記第1ヒンジ部材66a、前記第2ヒンジ部材68c間、前記第1ヒンジ部材66b、前記第2ヒンジ部材68a間及び前記第1ヒンジ部材66b、前記第2ヒンジ部材68c間に一体に挿入される短尺な連結ピン70aと、交互に配列される前記第1ヒンジ部材66a、前記第2ヒンジ部材68b間、前記第1ヒンジ部材66a、前記第2ヒンジ部材68d間、前記第1ヒンジ部材66b、前記第2ヒンジ部材68b間及び前記第1ヒンジ部材66b、前記第2ヒンジ部材68d間に一体に挿入される長尺な連結ピン70bとを設ける。
The
第1ヒンジ部材66a、66bには、ピン挿入用の第1孔部72a、72bが形成される一方、第2ヒンジ部材68a〜68dには、ピン挿入用の第2孔部74a〜74dが形成される。
The
第1ヒンジ部材66a、66bは、エンドプレート20a、20bに一体成形されるとともに、第2ヒンジ部材68a〜68dは、側板60a〜60dとは個別に構成される。第2ヒンジ部材68a〜68dは、同様に構成されており、以下に、例えば、前記第2ヒンジ部材68bについてのみ詳細に説明する。
The
図5に示すように、第2ヒンジ部材68bは、複数枚の金属製平板76を積層してカシメにより一体に結合される。各平板76は、例えば、厚さが0.2mm〜10.0mmのステンレス鋼等の金属製ブランク材をプレスで打ち抜き加工される。
As shown in FIG. 5, the
平板76の一端側には、第2孔部74bが形成されるとともに、前記平板76の他端側には、長方形状の溝部78が形成される。平板76は、ダボカシメ部80を介して互いに連結されるとともに、このダボカシメ部80は、第2孔部74bの近傍に2ヶ所に設定される。各第2ヒンジ部材68bは、溝部78に取り付け板部材82を挿入させて、種々の接合方式によって接合される。
A
なお、取り付け板部材82を用いずに、第2ヒンジ部材68bを側板60bに直接接合してもよい。また、第1ヒンジ部材66a、66bは、エンドプレート20a、20bに一体に形成されているが、前記第1ヒンジ部材66a、66bは、上記の第2ヒンジ部材68bと同様に構成してもよい。
Note that the
図1に示すように、側板60a〜60dには、短手方向両端縁部にそれぞれ複数のねじ孔84が形成される一方、アングル部材62a〜62dの各辺には、前記ねじ孔84に対応して孔部86が形成される。各孔部86に挿入される各ねじ88がねじ孔84に螺合することにより、アングル部材62a〜62dを介して側板60a〜60d同士が固定される。これにより、ケーシング24が構成される(図4参照)。
As shown in FIG. 1, the
なお、アングル部材62a〜62dにねじ孔を形成する一方、側板60a〜60dに孔部を形成し、前記アングル部材62a〜62dを前記側板60a〜60dの内方に配置した状態で、これらを一体的にねじ止めしてもよい。
In addition, while forming screw holes in the
このように構成される燃料電池スタック10の動作について、以下に説明する。
The operation of the
先ず、第2ヒンジ部材68a〜68dを製造する作業について説明する。なお、説明の便宜上、第2ヒンジ部材68bの製造方法についてのみ、以下に説明する。
First, an operation for manufacturing the
各平板76は、プレスにより打ち抜き加工されるとともに、前記平板76には、第2孔部74bに近接して2つのダボ80aが成形される(図6参照)。1枚の平板76が、成形型90に対してダボ80aが下方に向かうように配置される。
Each
次いで、別の平板76は、ダボ80aが成形型90上の平板76のダボ80aの反対側の凹み部に配置されるようにして、前記平板76上に積層される。そして、上方の平板76のダボ80aを、下方の平板76の凹み部に押し込むようにして、カシメ処理が施される。これにより、2枚の平板76は、2つのダボカシメ部80を介して互いに一体に結合される。
Next, another
同様にして、所定枚数の平板76は、順次、成形型90上でカシメ処理が施される。従って、所定枚数の平板76は、ダボカシメ部80を介して一体に結合されることにより、第2ヒンジ部材68bが製造される。
Similarly, the predetermined number of
第2ヒンジ部材68bは、溝部78に取り付け板部材82が挿入されて前記取り付け板部材82に接合されるとともに、前記取り付け板部材82は、側板60bの端部に固着される。
The
このように構成される第1の実施形態では、第2ヒンジ部材68bが、複数枚の平板76を積層しカシメ処理(ダボカシメ部80)によって一体に結合されている。このため、従来のプレス品のヒンジ部材に比べて、連結ピン70bが挿入される第2孔部74bの真円度を高く維持することができ、部品精度の向上が容易に図られる。
In the first embodiment configured as described above, the
しかも、複数枚の平板76は、カシメにより一体化されている。従って、連結ピン70bにせん断荷重が付与された際、一部の平板76に、例えば、積層方向両端部の平板76に応力が集中することがない。各平板76同士は、ダボカシメ部80を介して一体に結合されているからである。これにより、複数枚の平板76に応力が均等に分散され、ヒンジ機構64に偏力が加わることを阻止し、部品強度が良好に向上するという効果が得られる。その上、複数枚の平板76を溶接又はろう付けする必要がなく、ヒンジ機構64を廉価に且つ精度よく製造することができる。
Moreover, the plurality of
さらに、平板76同士は、2ヶ所のダボカシメ部80により連結されている。このため、2つのダボカシメ部80が回り止め機能を有し、平板76同士が相対的に回転することを確実に阻止することが可能になる。
Further, the
次いで、燃料電池スタック10の動作について説明すると、図4に示すように、エンドプレート20aの酸化剤ガス供給連通孔36aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔40aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔38aに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。このため、積層体14では、矢印A方向に重ね合わされた複数の単位セル12に対し、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が矢印A方向に供給される。
Next, the operation of the
図3に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔36aから第2金属セパレータ34の酸化剤ガス流路52に導入され、電解質膜・電極構造体30のカソード側電極46に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔40aから第1金属セパレータ32の燃料ガス流路48に導入され、電解質膜・電極構造体30のアノード側電極44に沿って移動する。
As shown in FIG. 3, the oxidant gas is introduced into the oxidant
従って、各電解質膜・電極構造体30では、カソード側電極46に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極44に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
Therefore, in each electrolyte membrane /
次いで、カソード側電極46に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔36bに沿って流動した後、エンドプレート20aから外部に排出される。同様に、アノード側電極44に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔40bに排出されて流動し、エンドプレート20aから外部に排出される。
Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the
また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔38aから第1及び第2金属セパレータ32、34間の冷却媒体流路50に導入された後、矢印B方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体30を冷却した後、冷却媒体排出連通孔38bを移動してエンドプレート20aから排出される。
The cooling medium flows in the direction of arrow B after being introduced into the cooling
図7は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ機構100の概略分解斜視説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池スタック10を構成するヒンジ機構64と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
FIG. 7 is a schematic exploded perspective view of the
ヒンジ機構100は、複数枚の平板102を積層し、カシメにより一体に結合される第2ヒンジ部材68bを備える。平板102は、第2孔部74bを形成する壁部にダボカシメ部104を設けて各平板102同士が一体に結合される。なお、第2ヒンジ部材68a、68c及び68dは、図示していないが、上記の第2ヒンジ部材68bと同様に構成される。
The
このように構成されるヒンジ機構100では、先ず、図8に示すように、各平板102がプレスにより打ち抜き加工されるとともに、第2孔部74bを周回するリング状ダボ104aが形成される。
In the
次いで、平板102は、成形型106に対してダボ104aが下向きになるように配置される。そして、次の平板102は、ダボ104aが前記成形型106上の平板102の第2孔部74bに対向するように、前記平板102上に配置される。さらに、ダボ104aにカシメ処理が施されることにより、2枚の平板102が一体に結合される。
Next, the
同様にして、所定枚数の平板102は、ダボ104aにカシメ処理が施されることにより一体に結合される。これにより、第2ヒンジ部材68bが製造される。
Similarly, the predetermined number of
このように構成される第2の実施形態では、複数枚の平板102は、カシメにより一体化されるとともに、第2孔部74bを形成する壁部にカシメ処理が施されている。このため、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる他、ダボ104aにより各第2孔部74b同士の位置決めが容易に行われる。従って、第2ヒンジ部材68b全体として、第2孔部74bの真円度を一層確実に高めることができるという利点がある。
In the second embodiment configured as described above, the plurality of
10…燃料電池スタック 12…単位セル
14…積層体 16a、16b…ターミナルプレート
18…絶縁プレート 20a、20b…エンドプレート
22…スペーサ部材 24…ケーシング
30…電解質膜・電極構造体 32、34…金属セパレータ
42…固体高分子電解質膜 44…アノード側電極
46…カソード側電極 48…燃料ガス流路
50…冷却媒体流路 52…酸化剤ガス流路
54、56…シール部材 60a〜60d…側板
64、100…ヒンジ機構
66a、66b、68a〜68d…ヒンジ部材
70a、70b…連結ピン 76、102…平板
78…溝部 80、104…ダボカシメ部
80a、104a…ダボ 82…取り付け板部材
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記ケーシングは、前記積層体の積層方向両端部に配置される端板と、
前記積層体の側部に配置される複数の側板と、
前記端板と前記側板とを連結するヒンジ機構と、
を備え、
前記ヒンジ機構は、前記端板に固着される第1ヒンジ部材と、
前記側板に固着される第2ヒンジ部材と、
前記第1及び第2ヒンジ部材に一体に挿入される連結ピンと、
を設けるとともに、
少なくとも前記第1ヒンジ部材又は前記第2ヒンジ部材は、複数枚の平板を積層しカシメにより一体に結合して構成されることを特徴とする燃料電池スタック。 A fuel cell stack comprising a unit cell in which an electrolyte / electrode structure having a pair of electrodes provided on both sides of an electrolyte is sandwiched between separators, and a stacked body in which a plurality of the unit cells are stacked is housed in a box-shaped casing. And
The casing includes end plates disposed at both ends in the stacking direction of the stacked body,
A plurality of side plates disposed on the side of the laminate;
A hinge mechanism for connecting the end plate and the side plate;
With
The hinge mechanism includes a first hinge member fixed to the end plate;
A second hinge member fixed to the side plate;
A connecting pin that is integrally inserted into the first and second hinge members;
And providing
At least the first hinge member or the second hinge member is configured by stacking a plurality of flat plates and integrally connecting them by caulking.
少なくとも前記第1ヒンジ部材又は前記第2ヒンジ部材は、前記平板に対して前記孔部の近傍に2ヶ所のカシメ処理が行われることを特徴とする燃料電池スタック。 2. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the first and second hinge members have holes into which the connecting pins are inserted,
At least the first hinge member or the second hinge member is subjected to two caulking processes in the vicinity of the hole with respect to the flat plate.
少なくとも前記第1ヒンジ部材又は前記第2ヒンジ部材は、前記平板に対して前記孔部を形成する壁部にカシメ処理が行われることを特徴とする燃料電池スタック。 2. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the first and second hinge members have holes into which the connecting pins are inserted, and
At least the first hinge member or the second hinge member is subjected to a caulking process on a wall portion that forms the hole portion with respect to the flat plate.
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